基于WOFOST模型的吉林省春玉米干旱復(fù)水模擬研究

李琪，胡秋麗，朱大威，吳東麗，胡正華，李瑩瑩

（1. 南京信息工程大學(xué)，江蘇省農(nóng)業(yè)氣象重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210044；2. 江蘇省農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)與發(fā)展研究所，江蘇 南京 210014；3. 中國(guó)氣象局氣象探測(cè)中心，北京 100081）

我國(guó)北方的半干旱和半濕潤(rùn)地區(qū)是玉米生產(chǎn)的重要基地，但該區(qū)域大多屬于雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)，玉米生長(zhǎng)的各個(gè)時(shí)期均會(huì)面臨不同等級(jí)的干旱脅迫，從而引起產(chǎn)量下降[1-2]。吉林省是我國(guó)重要的玉米種植省份[3]，中西部地區(qū)地勢(shì)平坦，適宜春玉米的種植，是吉林省春玉米的集中生產(chǎn)區(qū)域，素有“黃金玉米帶”之稱(chēng)。但該區(qū)域降水少，干旱出現(xiàn)頻繁，特別是西部區(qū)域存在“十年九春旱”的說(shuō)法[4]。如何在中西部干旱多發(fā)地區(qū)合理進(jìn)行農(nóng)業(yè)灌溉，避免玉米生長(zhǎng)過(guò)程中因干旱缺水造成的不利影響，穩(wěn)定提高產(chǎn)量，是吉林玉米生產(chǎn)中急需解決的問(wèn)題之一。

在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，補(bǔ)充灌溉是常見(jiàn)的抵御干旱的措施。研究表明，干旱后的復(fù)水可以提高作物葉片的光合能力和抗氧化酶的活性[5-6]、改變作物的莖流速率、根水勢(shì)等生理生化指標(biāo)[7-8]，提高作物對(duì)干旱脅迫的恢復(fù)力，因此，復(fù)水在緩解干旱的負(fù)面影響方面具有重要作用[9-10]。目前干旱復(fù)水方面的研究大多以實(shí)驗(yàn)為主，主要研究作物對(duì)干旱復(fù)水的生理響應(yīng)機(jī)制，而針對(duì)實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中什么時(shí)間復(fù)水、如何復(fù)水等大田管理方面的研究則相對(duì)缺乏。

WOFOST（World Food Studies）模型是荷蘭瓦赫寧根農(nóng)業(yè)大學(xué)與世界糧食研究中心一起開(kāi)發(fā)研制的作物模型，該模型有較廣泛的應(yīng)用[11-13]，在氣候變化、災(zāi)害模擬以及模型同化等領(lǐng)域取得了較好的研究效果[14-17]，但在灌溉復(fù)水方面的模擬工作相對(duì)缺乏[18-19]。鑒于此，本研究以吉林省春玉米為研究對(duì)象，基于WOFOST模型，模擬不同干旱條件下，不同的復(fù)水方案對(duì)玉米生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量的影響，從而對(duì)當(dāng)?shù)卮河衩椎母咝А⒑侠砉喔?，保障高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究區(qū)介紹

本研究從吉林省中部和西部分別選取榆樹(shù)和白城兩個(gè)區(qū)域進(jìn)行干旱復(fù)水模擬研究。榆樹(shù)位于吉林省中北部，地處松遼平原腹地，地勢(shì)較平坦，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)為2 675 h，年平均氣溫5.3 ℃，年均降水量536.4 mm。白城市位于吉林省西北部，嫩江平原西部，地勢(shì)由西北向東南依次為低山、丘陵、平原，西南略有抬升，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，年均日照時(shí)數(shù)為2 915 h，年平均氣溫5.2 ℃，年均降水量399.9 mm。

2 研究方法和數(shù)據(jù)來(lái)源

2.1 研究方法

2.1.1 模型調(diào)參方法 本研究選用吉林省春玉米生長(zhǎng)代表站點(diǎn)榆樹(shù)2012—2014年的大田試驗(yàn)資料對(duì)WOFOST模型進(jìn)行調(diào)參。運(yùn)用試錯(cuò)法、實(shí)際觀測(cè)計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)法等方法校正WOFOST模型參數(shù)（部分重要參數(shù)見(jiàn)表1）。選用初始變量擾動(dòng)法對(duì)WOFOST模型中的參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，即潛在生長(zhǎng)條件下，其他參數(shù)值與模擬環(huán)境保持不變，將待確定參數(shù)的值上下調(diào)整10%后，運(yùn)行WOFOST模型進(jìn)行模擬并觀察模擬結(jié)果。本文選取模型輸出的葉重、莖重、穗重、總重以及最大葉面積指數(shù)作為比較項(xiàng)，計(jì)算出這5項(xiàng)參數(shù)的絕對(duì)變化百分率的平均值。從表1可以看出，玉米的生長(zhǎng)發(fā)育指標(biāo)對(duì)模型的主要參數(shù)都有較明顯的響應(yīng)。

表1 模型主要參數(shù)及敏感性分析結(jié)果Table 1 The main parameters of the model and the sensitivity analysis results

2.1.2 模型驗(yàn)證方法 選擇平均絕對(duì)誤差（MAE）、平均相對(duì)誤差（MRE）和符合度指數(shù)（D）評(píng)價(jià)模擬值與實(shí)測(cè)值之間的差距和模擬效果，計(jì)算公式如下：

式中：Bi和Gi分別代表實(shí)測(cè)值和模擬值，為實(shí)測(cè)值的平均值，n為數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，MAE、MRE代表模擬值對(duì)實(shí)測(cè)值的符合程度，數(shù)值越小代表模擬效果越好；D為標(biāo)準(zhǔn)化度量指標(biāo)，范圍在0-1之間，數(shù)值越大，代表模擬效果越好。

2.1.3 干旱等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn) 干旱及復(fù)水研究所采用的水分指標(biāo)為土壤相對(duì)濕度，等級(jí)劃分見(jiàn)表2[20]。根據(jù)模型模擬得到的土壤相對(duì)濕度值，參照表2的標(biāo)準(zhǔn)，反推需要調(diào)整的降水?dāng)?shù)據(jù)。除降水?dāng)?shù)據(jù)外，其余輸入的氣象參數(shù)保持不變（即為2013年的實(shí)際數(shù)據(jù)），從而得到不同干旱條件及復(fù)水方式下的地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量值。這些值與基準(zhǔn)值進(jìn)行對(duì)比，就可以得到不同干旱及復(fù)水條件下的損失百分率。

表2 干旱等級(jí)劃分Table 2 Drought grade division

2.2 數(shù)據(jù)資料

WOFOST作物模型輸入?yún)?shù)包括氣象資料、作物資料和土壤資料三部分。榆樹(shù)和白城的氣象資料來(lái)源于國(guó)家氣象科學(xué)數(shù)據(jù)共享服務(wù)平臺(tái)（http://data.cma.cn/），作物和土壤資料來(lái)源于當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)氣象觀測(cè)站、《中國(guó)土種志》等。

3 結(jié)果與分析

3.1 模型調(diào)參結(jié)果的驗(yàn)證

3.1.1 葉面積指數(shù) 選取榆樹(shù)、白城歷史典型干旱年份（模擬的拔節(jié)-抽雄和抽雄-乳熟階段至少出現(xiàn)中旱及以上旱情的年份，榆樹(shù)選取1997和2007年，白城選取1999和2002年）的春玉米葉面積指數(shù)實(shí)測(cè)和模擬值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果顯示（圖1）：模擬值與實(shí)測(cè)值比較吻合，模擬值能夠反映出葉面積指數(shù)的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。榆樹(shù)的模擬平均相對(duì)誤差依次是8.5%和12.0%；白城的模擬平均相對(duì)誤差分別為7.7%和5.7%，因此，在葉面積指數(shù)上，白城的模擬效果更好。整體來(lái)看，校正后的WOFOST模型模擬干旱年份葉面積指數(shù)時(shí)，其誤差相對(duì)較小，模擬效果較好。

3.1.2 地上部分干物質(zhì)重 由圖2可知，榆樹(shù)和白城春玉米地上部分干物質(zhì)重的實(shí)測(cè)值與模擬值動(dòng)態(tài)變化趨勢(shì)較為一致，榆樹(shù)的平均相對(duì)誤差分別為20.0%和13.8%；白城的平均相對(duì)誤差分別為16.5%和9.9%，對(duì)于地上部分干物質(zhì)重，白城的模擬效果優(yōu)于榆樹(shù)。整體上看，干旱條件下模型對(duì)地上部分干物質(zhì)重的模擬效果雖然不如葉面積指數(shù)，但仍在可接受的范圍之內(nèi)。

圖1 典型干旱年份春玉米葉面積指數(shù)實(shí)測(cè)值與模擬值Fig. 1 The measured and simulated value of the spring maize leaf area in typical drought year

圖2 典型干旱年份地上部分干物質(zhì)重實(shí)測(cè)值與模擬值Fig. 2 The measured and simulated value of shoot dry weight in a typical drought year

3.1.3 產(chǎn)量 利用校正后的模型模擬了榆樹(shù)、白城1994-2011年春玉米的產(chǎn)量（模擬的拔節(jié)-抽雄和抽雄-乳熟階段，榆樹(shù)共有11年發(fā)生不同程度的干旱，白城共有16年發(fā)生不同程度的干旱），與實(shí)測(cè)產(chǎn)量的對(duì)比驗(yàn)證結(jié)果見(jiàn)表3。從表3可以看出，榆樹(shù)、白城產(chǎn)量驗(yàn)證的MAE分別為0.77 t/hm2、0.79 t/hm2，MRE分別為7.14%、8.34%；兩個(gè)地區(qū)產(chǎn)量驗(yàn)證的符合度指數(shù)分別達(dá)到了0.99和0.95，吻合度非常高。對(duì)產(chǎn)量而言，榆樹(shù)的模擬效果要好于白城。整體來(lái)看，經(jīng)校正過(guò)的WOFOST模型對(duì)產(chǎn)量的模擬效果較好。

表3 春玉米產(chǎn)量實(shí)測(cè)值與模擬值驗(yàn)證Table 3 The verification of measured and simulated value of spring maize yield

以上研究結(jié)果表明，校正過(guò)的WOFOST模型在干旱條件下對(duì)榆樹(shù)和白城兩個(gè)地區(qū)春玉米的葉面積指數(shù)、地上部分干物質(zhì)重以及產(chǎn)量這3個(gè)參數(shù)的模擬效果雖然有差異，但整體來(lái)看模擬效果較為理想，可以為后續(xù)的干旱復(fù)水模擬試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

3.2 干旱復(fù)水模擬方案

選擇榆樹(shù)和白城2013年的數(shù)據(jù)進(jìn)行干旱復(fù)水試驗(yàn)（基本無(wú)干旱發(fā)生年份），通過(guò)改變春玉米拔節(jié)到成熟時(shí)期的降水?dāng)?shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)干旱和復(fù)水的模擬。首先以榆樹(shù)、白城2013年春玉米全生育期的基本氣象資料為驅(qū)動(dòng)，對(duì)春玉米的地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量進(jìn)行模擬。其模擬結(jié)果：榆樹(shù)春玉米地上部分干物質(zhì)重為23 005 kg/hm2，產(chǎn)量為11 926 kg/hm2；白城春玉米地上部分干物質(zhì)重為17 604 kg/hm2，產(chǎn)量為10 673 kg/hm2，該結(jié)果作為后續(xù)研究的基準(zhǔn)值。

以拔節(jié)-抽雄階段的輕旱模擬為例，干旱復(fù)水步驟如下：通過(guò)改變天氣文件中拔節(jié)-抽雄階段的降水量，使得模擬結(jié)果得到的土壤相對(duì)濕度值在該階段保持在60%～70%（表2），即持續(xù)輕旱等級(jí)，然后在該生育階段結(jié)束的第1天（FS1）、第4天（FS2）、第7天（FS3）分別進(jìn)行一次性復(fù)水，以及第1-3天（FS4）、第1-5天（FS5）進(jìn)行連續(xù)性復(fù)水，使土壤相對(duì)濕度達(dá)到75%（FS1、FS2、FS3處理直接調(diào)整當(dāng)天的降水使土壤相對(duì)濕度達(dá)到75%，F(xiàn)S4、FS5則按照每天等量、依次增加的方式在最后一天達(dá)到75%），使玉米解除干旱。按上述方式全部調(diào)整好后（除干旱及復(fù)水期降水外，其余參數(shù)值均與基準(zhǔn)年一致），驅(qū)動(dòng)模型得到地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量，并與基準(zhǔn)值相比，得到輕旱處理下不同復(fù)水方式的損失。中旱、重旱的處理方式與輕旱情況類(lèi)似。抽雄-乳熟階段的處理方式同拔節(jié)-抽雄階段，但要注意該階段干旱處理結(jié)束后進(jìn)行復(fù)水時(shí)，玉米已經(jīng)進(jìn)入乳熟-成熟階段，因此復(fù)水后土壤相對(duì)濕度達(dá)到65%（表2）才能解除干旱。

3.3 模擬結(jié)果分析

3.3.1 拔節(jié)-抽雄階段模擬結(jié)果 從圖3拔節(jié)-抽雄階段的模擬結(jié)果可以看出，在相同的復(fù)水方案下，隨著干旱程度的加劇，榆樹(shù)和白城兩地的玉米地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量的損失都隨之增加。在相同的干旱復(fù)水方案下，地上部分干物質(zhì)重的損失率要大于產(chǎn)量的損失率。在相同的條件下，白城地區(qū)玉米的地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量損失率要高于榆樹(shù)地區(qū)的，且白城地區(qū)各種復(fù)水方案在減輕干旱影響的效果上明顯不如榆樹(shù)地區(qū)。從復(fù)水方式上看，在其他條件相同的情況下，連續(xù)性復(fù)水方案（FS4和FS5）的損失率整體上要小于一次性復(fù)水方案（FS1、FS2和FS3）的損失率。對(duì)榆樹(shù)而言，F(xiàn)S4方案（即干旱結(jié)束后1-3 d連續(xù)復(fù)水）的效果十分明顯，并且榆樹(shù)地區(qū)的FS4和FS5方案可以明顯減少拔節(jié)-抽雄階段干旱帶來(lái)的產(chǎn)量和地上干物質(zhì)重的損失。對(duì)白城而言則是FS1方案（即干旱結(jié)束后第1 d進(jìn)行一次性復(fù)水）的效果最好，但與FS4方案沒(méi)有明顯的差異；另外連續(xù)性復(fù)水方案與一次性復(fù)水方案的整體差異要小于榆樹(shù)的。

圖3 拔節(jié)-抽雄階段方案模擬結(jié)果Fig. 3 The simulation results of different schemes in the jointing- tasseling stage

圖4 抽雄-乳熟階段不同方案模擬結(jié)果Fig. 4 The simulation results of different schemes in the tasseling-milky maturity stage

3.3.2 抽雄-乳熟階段模擬結(jié)果 圖4為抽雄-乳熟階段的模擬結(jié)果。從圖4可以看出，在相同的復(fù)水方案下，隨著干旱程度的加劇，榆樹(shù)和白城兩地的春玉米地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量的損失都隨之增加，這與拔節(jié)-抽雄階段的規(guī)律相同。在相同的干旱復(fù)水方案下，抽雄-乳熟階段的地上部分干物質(zhì)重的損失率要小于產(chǎn)量的損失率，這與拔節(jié)-抽雄階段的結(jié)果正好相反，這可能與不同生育階段玉米的干物質(zhì)積累方式不同有關(guān)。在相同的條件下，白城地區(qū)玉米的地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量損失率要高于榆樹(shù)地區(qū)的，且白城地區(qū)各種復(fù)水方案在減輕干旱影響的效果上不如榆樹(shù)地區(qū)，但兩個(gè)地區(qū)之間的差異不如拔節(jié)-抽雄期的差異明顯，這說(shuō)明復(fù)水效果是受生育階段影響的。從復(fù)水方式上看，連續(xù)性復(fù)水方案（FS4和FS5）的損失率整體上要小于一次性復(fù)水方案（FS1、FS2和FS3）的損失率，但兩個(gè)地區(qū)之間的差異不如拔節(jié)-抽雄期的差異明顯。對(duì)于抽雄-乳熟階段的干旱，榆樹(shù)和白城地區(qū)的最佳復(fù)水方案都是FS1。

4 討論

4.1 干旱對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育的影響

從研究結(jié)果來(lái)看，不論是拔節(jié)-抽雄階段，還是抽雄-乳熟階段，隨著干旱等級(jí)的增加以及復(fù)水時(shí)間的推遲，春玉米地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量較無(wú)旱時(shí)的損失都越嚴(yán)重，這說(shuō)明干旱的強(qiáng)度和持續(xù)時(shí)間都是影響作物產(chǎn)量的重要因素，這與實(shí)驗(yàn)類(lèi)研究結(jié)論一致[21-24]，這也表明WOFOST模型的模擬結(jié)果符合實(shí)際情況。

實(shí)驗(yàn)類(lèi)研究表明，干旱的影響與玉米的生長(zhǎng)階段也是密切相關(guān)的[25]，本研究通過(guò)模型模擬也表明，在相同的干旱復(fù)水模擬方案下，春玉米抽雄-乳熟階段的干旱脅迫對(duì)產(chǎn)量的影響要高于拔節(jié)-抽雄階段，而對(duì)地上部分干物質(zhì)重的影響則低于拔節(jié)-抽雄階段。拔節(jié)-抽雄期既是春玉米的營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)階段，也是生殖生長(zhǎng)階段，水分脅迫會(huì)直接影響葉片生長(zhǎng)速率，導(dǎo)致葉片的光合速率下降，同化物代謝受阻[26]。但此時(shí)還未進(jìn)入灌漿期，因此拔節(jié)-抽雄階段的水分脅迫對(duì)地上部分干物質(zhì)重的影響更直接。而抽雄-乳熟階段正是籽粒形成的關(guān)鍵期，此階段的水分條件對(duì)籽粒庫(kù)容大小、敗育數(shù)量和飽滿程度均有所影響，干旱脅迫將會(huì)影響生殖生長(zhǎng)速率，不利于籽粒形成和同化物積累，從而對(duì)產(chǎn)量造成嚴(yán)重影響[27-28]。該結(jié)果進(jìn)一步表明WOFOST模型的模型結(jié)果可以較好地反映作物生長(zhǎng)的機(jī)理。

4.2 最佳復(fù)水方案的選取

在春玉米干旱發(fā)生的過(guò)程中，合理的復(fù)水方案對(duì)有效抵御干旱造成的影響具有重要作用。本研究的結(jié)果表明，對(duì)于春玉米拔節(jié)-抽雄階段的干旱，降水條件相對(duì)較好的榆樹(shù)地區(qū)采取及時(shí)、逐步復(fù)水的方式（FS4方案），可以有效降低干旱的負(fù)效應(yīng)，穩(wěn)定春玉米的產(chǎn)量；降水條件相對(duì)較差的白城則優(yōu)先進(jìn)行一次性及時(shí)復(fù)水（FS1方案）效果最佳。而在抽雄-乳熟期，榆樹(shù)和白城都優(yōu)先選擇一次性及時(shí)復(fù)水方案的效果最好。該結(jié)論表明在不同的干旱條件下（不同地區(qū)、不同生育階段），春玉米灌溉復(fù)水的最佳方案并不能一刀切，可以借助WOFOST模型對(duì)不同的玉米補(bǔ)充灌溉的方案進(jìn)行篩選，從而對(duì)農(nóng)業(yè)防旱工作起到有針對(duì)性的指導(dǎo)作用。

另外值得注意的是，隨著干旱程度的加重，春玉米受災(zāi)的情況也在加重，尤其是在降水條件相對(duì)較差的白城地區(qū)，不管是連續(xù)復(fù)水方案還是一次性復(fù)水方案，都只是在一定程度上緩解干旱的影響，而無(wú)法改變受災(zāi)的事實(shí)。因此本研究所提出的最佳復(fù)水方案，只是相對(duì)而言的，是受災(zāi)后的一種補(bǔ)救措施。

4.3 研究展望

本研究在干旱年份下對(duì)已修訂的WOFOST模型進(jìn)行了驗(yàn)證，整體效果雖然較好，但個(gè)別年份仍有較大的誤差，因此在模型的參數(shù)調(diào)整上還需要作進(jìn)一步的分析工作。本研究同時(shí)也表明WOFOST模型在農(nóng)業(yè)干旱和補(bǔ)充灌溉等領(lǐng)域也有一定的應(yīng)用前景，但需要注意的是，本研究?jī)H研究了兩個(gè)生育期以及5種復(fù)水方案，而在實(shí)際的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，作物面臨的干旱情況是多變的和復(fù)雜的，其復(fù)水條件和方案也會(huì)因情況不同而變。如何能對(duì)干旱條件以及復(fù)水方案進(jìn)行合理的設(shè)定，給當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)抗旱及灌溉措施的制訂提供更合理、更有針對(duì)性的依據(jù)，是今后模型研究需要注意的方面。

5 結(jié)論

本文利用已修訂的WOFOST模型，以吉林省榆樹(shù)和白城兩地的春玉米為研究對(duì)象，模擬了拔節(jié)-抽雄和抽雄-乳熟階段，不同干旱條件下不同復(fù)水方案對(duì)春玉米生長(zhǎng)發(fā)育以及產(chǎn)量的影響。研究表明，已修訂的WOFOST在干旱條件下具有較好的模擬效果。不同的模擬方案結(jié)果表明，不管是在拔節(jié)-抽雄階段，還是在抽雄-乳熟階段，隨著干旱程度的加劇，榆樹(shù)和白城兩地的玉米地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量的損失都隨之增加；相同的復(fù)水方案下，榆樹(shù)地區(qū)的地上部分干物質(zhì)重和產(chǎn)量損失要小于白城地區(qū)；抽雄-乳熟階段的干旱對(duì)春玉米的產(chǎn)量影響更大。從復(fù)水方案上來(lái)看，干旱過(guò)程中的及時(shí)、足量復(fù)水對(duì)春玉米抵御干旱、減少產(chǎn)量損失具有重要的作用。